基于電磁場檢測的尋跡智能車系統設計

摘要：介紹智能車競賽中電磁組的設計思路，論述了基于變參數的PD算法的信號處理方法；分析了傳感器布局對轉角的影響，提出直接采集交流信號的尋跡方案，并驗證了該方案的效果。實驗表明：該處理方法實現簡單，能夠比較精準、快速地跟蹤通電導線的軌道。
關鍵詞：磁場；智能車；傳感器；PD算法

1 設計原理
1．1 磁場理論
根據麥克斯韋電磁場理論，交變電流會在周圍產生交變的電磁場。智能車競賽使用路徑導航的交流電流頻率為20 kHz，產生的電磁波屬于甚低頻(VLF)電磁波。交變磁場分析復雜，并且賽道導航電線和小車尺寸遠遠小于電磁波的波長，電磁場輻射能量很小，能夠感應到電磁波的能量也非常小。所以可將導線周圍變化的磁場近似地看作緩變的磁場，按檢測靜態磁場的方法獲取導線周圍的磁場分布，進行位置檢測。
由畢奧一薩伐爾定律可知，通有穩恒電流I、長度為L的直導線周圍會產生磁場，距離導線距離為r處的磁感應強度為：

1．2 尋跡原理
基于不同物理效應的磁測量傳感器很多，要根據被檢測磁場的性質和要求，使用不同的磁場傳感器。感應線圈對磁場的變化靈敏度較高，同時也可根據被測磁場的形態和分布選定線圈形狀和幾何尺寸。選用靈敏度更高的線圈作為識別信號的傳感器。
本設計中導線通過的電流頻率為20 kHz，且線圈較小。設線圈中心到導線的距離為r，并認為小范圍內磁場分布是均勻的。再根據圖1所示的導線周圍磁場分布規律，利用法拉利定律，線圈中感應電動勢可近似為：

即線圈中感應電動勢的大小正比于電流的變化率，反比于線圈中心到導線的距離。故導線左右兩端傳感器的電壓值可表示為：


式中，(l1+l2)為定值，計算出的pos值為以傳感器軸中心為坐標原點的賽道位置值。

2 磁導航智能車系統
磁導航智能車系統主要分為主控模塊、路徑信息采集模塊、電機驅動模塊和電源模塊等。磁導航智能車結構框圖如圖2所示。

系統磁場環境為埋設在跑道中通過20kHz、100 mA交變電流的導線產生的交變磁場。

3 賽車布局分析及硬件電路
3．1 傳感器布局
根據感應線圈安放位置的不同，可將感應方向分解為各分量。如圖3所示，當線圈為水平安置時，線圈中檢測到的主要是水平方向的磁場分量；線圈為垂直安置時，線圈中檢測到的主要是垂直方向的磁場分量。通過對不同方向磁場分量的檢測，可以獲得磁場的強度和方向。